關(guān)于SiC MOSFET短路Desat保護(hù)設(shè)計(jì)

富昌電子（Future Electronics）一直致力于以專業(yè)的技術(shù)服務(wù)，為客戶打造個(gè)性化的解決方案，并縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。在第三代半導(dǎo)體的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，富昌電子結(jié)合自身的技術(shù)積累和項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，落筆于SiC相關(guān)設(shè)計(jì)的系列文章。希望以此給到大家一定的設(shè)計(jì)參考，并期待與您進(jìn)一步的交流。

作為系列文章的第四篇，本文主要針對(duì)SiC MOSFET 短路Desat 保護(hù)設(shè)計(jì)做一些探討。

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什么是Desat

Desat保護(hù)是功率MOSFET和IGBT保護(hù)中很重要的概念， 下面我們用圖一所示是一個(gè)簡(jiǎn)化的MOS剖面圖，以此來闡述退飽和發(fā)生的原因。柵極施加一個(gè)大于閾值的正壓VGS，則柵極氧化層下方會(huì)形成導(dǎo)電溝道，這時(shí)如果給漏極D施加正壓VDS，則源極中的電子便會(huì)在電場(chǎng)的作用下源源不斷地從漏極D流向源極S，這樣電流便形成了，這時(shí)電流隨DS電壓的增長(zhǎng)而線性增長(zhǎng)。隨著DS電壓的增大，使得柵極和硅表面的電壓差很小而不能維持硅表面的強(qiáng)反型，溝道出現(xiàn)夾斷現(xiàn)象，電流不再隨DS電壓的增加而成比例增長(zhǎng)，而進(jìn)入退飽和狀態(tài)（如圖二）。

在實(shí)際應(yīng)用中，退飽和現(xiàn)象一般發(fā)生在器件短路時(shí)，這時(shí)Vds電壓上升到母線電壓，電流一般是額定電流的幾倍。功率異常增大，結(jié)溫急劇上升，不及時(shí)關(guān)斷器件就有可能燒毀器件。多數(shù)MOSFET電流短路承受能力差而造成熱損壞，而SiC MOSFET電流的短路能力更差。那么針對(duì)SiC MOSFET的Desat保護(hù)設(shè)計(jì)就變得尤為重要了。

圖一（refer to Infineon）

圖二（refer to Infineon）

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如何進(jìn)行Desat的設(shè)計(jì)

SiC MOSFET電路通常用傳感器進(jìn)行在線電流檢測(cè)，進(jìn)行精確的過電流保護(hù)。而Desat保護(hù)被視為第二級(jí)保護(hù)措施。在有些特殊故障情況，例如橋式直通或逆變器在濾波器前輸出端對(duì)地短路等，在線電流傳感器無法檢測(cè)到這類故障，Desat保護(hù)就成為保護(hù)功率器件重要的措施。

設(shè)計(jì)中，主要的考慮是Desat保護(hù)閾值的設(shè)定，一般應(yīng)設(shè)置為保守值，以避免過早觸發(fā)。下面就通過onsemi的SiC MOSFET NTH4L020N120SC1為例，來論述下如何設(shè)計(jì)這個(gè)保護(hù)閾值。

SiC MOSFET datasheet提供“最大漏極脈沖電流”（10us單脈沖）如圖三。該電流約為器件在 125 °C時(shí)額定連續(xù)電流的 4 倍左右（onsemi NVH4L020N120SC1） 如圖四。在額定連續(xù)電流和最大漏極脈沖電流之間選擇過流保護(hù)值。過流保護(hù)閾值的計(jì)算應(yīng)使用 125 °C 或 150 °C 時(shí)的 RDS_ON。傳導(dǎo)電流是 DESAT 引腳提供的電流。二極管壓降具有負(fù)溫度系數(shù)。保守計(jì)算，可以將 25 °C 時(shí)二極管的正向電壓用于過流保護(hù)閾值的計(jì)算。

圖三， NTH4L020N120SC1 ， onsemi

圖四， NTH4L020N120SC1 ， onsemi 如圖五所示， 設(shè)置限流值的時(shí)候，可以用公式 Ilimit = （Vth – Rdamp* IDESAT – VFD）/ Rdson 來計(jì)算， 其中 Rdamp 為調(diào)壓電阻，VFD為高壓二極管的正向壓降，Rdson為 SiC MOSFET 估算結(jié)溫下的導(dǎo)通電阻。當(dāng)發(fā)生短路或過流時(shí)，SiC MOSFET 漏極電流將會(huì)增加 到一個(gè)很高的值，并且器件的 Vds 將會(huì)升高到很高的值。鉗位DESAT 引腳通過內(nèi)電流源給消隱電容 Cblk 充電到更高的電壓。當(dāng)電壓達(dá)到過流保護(hù)閾值時(shí)，OUT 和/FAULT 均被拉低。通過選擇不同的消隱電容，可以設(shè)置DESAT 保護(hù)電消隱時(shí)間。消隱時(shí)間可以公式計(jì)算：Teblk = Cblk ?Vth / IDESAT。不同的應(yīng)用通常需要不同的關(guān)斷時(shí)間。優(yōu)化的關(guān)斷時(shí)間可以最大化地發(fā)揮系統(tǒng)的短路 能力，同時(shí)限制 Vds 和 bus 電壓上的振蕩。

圖五

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Desat 保護(hù)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

a.SiC MOSFET 的高dv/dt 是引起噪聲和desat誤觸發(fā)的主要原因。在高的Vds dv/dt 作用下，高壓阻斷二極管 D寄生電容 Cdesat 引 起的電壓耦合會(huì)顯著抬高或降低陽(yáng)極電壓 。陽(yáng)極電壓變化又會(huì)將 消隱電容 Cblk充電或放電到一個(gè)非預(yù)期值，并導(dǎo)致誤觸發(fā)或desat保護(hù)延遲。由于 SiC MOSFET 的高開關(guān)速度，這個(gè)問題變得更加嚴(yán)重。為了鉗制 Vdsat 電壓的上升幅度，使用一個(gè) 穩(wěn)壓二極管。為了最大程度地降低 Cdesat 的影響，使用低結(jié)電容的二極管電壓阻斷非常必要。

b.與高壓阻斷二極管串聯(lián)的寄生電感Ldesat也是必須考慮的因素，過高的Ldesat 會(huì)與二極管寄生電容Cdesat諧振，會(huì)影響Vdesat震蕩的最大值的變化。從而影響desat觸發(fā)的準(zhǔn)確性。降低Ldesat值也是尤為重要。

c.要具有穩(wěn)定和快速的短路保護(hù)，上管驅(qū)動(dòng)器和下管驅(qū)動(dòng)器都應(yīng)該具有desat保護(hù)。半橋的短路情況主要有兩種情況。一種情況是一個(gè)開關(guān)管已經(jīng)導(dǎo)通情況下，開通另一個(gè)開關(guān)管；另一種情況是在一個(gè)開關(guān)管短路的情況下，開通另一個(gè)開關(guān)管。對(duì)于第二種情況，比第一種情況的延遲時(shí)間長(zhǎng)得多，是工程師必須考慮的極端因素。

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總結(jié)

SiC MOSFET Desat保護(hù)得到越來越多工程師的重視，以上是SiC MOSFET Desat保護(hù)設(shè)計(jì)基本思路。由于各個(gè)原廠的SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)的Desat保護(hù)參數(shù)會(huì)有不同，具體產(chǎn)品應(yīng)用會(huì)有調(diào)整，如需要進(jìn)一步交流請(qǐng)聯(lián)系富昌電子技術(shù)方案中心。